JP2006066503A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device superior in reliability for high-speed operation, and to provide a method of manufacturing the semiconductor device of small mobility, while increasing hysteresis is suppressed, using a High-k film. <P>SOLUTION: The semiconductor device comprises a silicon oxynitride film formed on a silicon substrate, and a high dielectric insulating film formed on the silicon oxynitride film. The concentration of nitrogen in the silicon oxynitride film has a distribution in the film thickness direction, and the concentration is low near the interface with the silicon substrate while high near the interface with the high dielectric insulating film, relative to the average value of the concentration of the nitrogen in the silicon oxynitride film. Thus, the semiconductor device is provided, in which the increase in the hysteresis and drop in the mobility due to thermal process are small. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、より詳しくは、比誘電率がシリコン酸化膜よりも高い絶縁膜を有する半導体装置およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device having an insulating film whose relative dielectric constant is higher than that of a silicon oxide film and a manufacturing method thereof.

近年、半導体集積回路装置における高集積化が大きく進展しており、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型半導体装置ではトランジスタ等の素子の高速動作と低消費電力化とが要求されている。   In recent years, high integration in semiconductor integrated circuit devices has greatly advanced, and high-speed operation and low power consumption of elements such as transistors are demanded in MOS (Metal Oxide Semiconductor) type semiconductor devices.

素子の高速動作を実現するには、ゲート容量を増やして駆動電流を増加させる必要がある。そこで、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）またはシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜）をゲート絶縁膜として用いる従来の構造では、ゲート容量を増加させるためにゲート絶縁膜の膜厚を薄くすることが行われていた。しかし、膜厚が１．５ｎｍ以下になると、キャパシタに流れるリーク電流が増加してしまう。このため、高速動作の実現は可能となるものの、その一方で低消費電力化を図ることが困難になり、また、電荷を蓄積するというキャパシタ本来の動作もできなくなるという問題があった。 In order to realize high-speed operation of the element, it is necessary to increase the gate capacitance and increase the drive current. Therefore, in the conventional structure using a silicon oxide film (SiO 2 film) or a silicon oxynitride film (SiON film) as a gate insulating film, the thickness of the gate insulating film is reduced in order to increase the gate capacitance. It was. However, when the film thickness is 1.5 nm or less, the leakage current flowing through the capacitor increases. For this reason, although high-speed operation can be realized, it is difficult to reduce power consumption, and there is a problem that the original operation of the capacitor for accumulating charges cannot be performed.

こうした問題に対しては、シリコン酸化膜（ｋ＝３．９）よりも高い比誘電率を有する材料からなる膜（以下、Ｈｉｇｈ−ｋ膜という。）をゲート絶縁膜として用いることが提案されている。Ｈｉｇｈ−ｋ膜としては、例えば、アルミニウム酸化膜（Ａｌ２Ｏ３膜，ｋ＝９）、ジルコニウム酸化膜（ＺｒＯ２膜，ｋ＝２０）、ハフニウム酸化膜（ＨｆＯ２膜，ｋ＝２０）、タンタル酸化膜（ＴａＯｘ膜，ｋ＝２５）およびチタン酸化膜（ＴｉＯｘ膜，ｋ＝４０）などの金属酸化膜が挙げられる。一般に、比誘電率ｋが高くなると電荷蓄積量が多くなるので、ゲート容量が同じである場合には、Ｈｉｇｈ−ｋ膜を用いることによってシリコン酸化膜よりも物理的膜厚を厚くすることが可能になる。すなわち、Ｈｉｇｈ−ｋ膜をゲート絶縁膜として用いることによって、キャパシタのリーク電流が増加するのを抑制することができる（例えば、非特許文献１参照。）。 For such problems, it has been proposed to use a film made of a material having a relative dielectric constant higher than that of a silicon oxide film (k = 3.9) (hereinafter referred to as a High-k film) as a gate insulating film. Yes. Examples of the high-k film include an aluminum oxide film (Al 2 O 3 film, k = 9), a zirconium oxide film (ZrO 2 film, k = 20), a hafnium oxide film (HfO 2 film, k = 20), Examples thereof include metal oxide films such as a tantalum oxide film (TaO x film, k = 25) and a titanium oxide film (TiO x film, k = 40). In general, as the relative dielectric constant k increases, the amount of charge accumulation increases. Therefore, when the gate capacitance is the same, the physical film thickness can be made thicker than the silicon oxide film by using a high-k film. become. That is, by using the High-k film as a gate insulating film, an increase in the leakage current of the capacitor can be suppressed (see, for example, Non-Patent Document 1).

Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ（応用物理学会誌）、２００１年、第８９巻、ｐ．５２４３Journal of Applied Physics (Journal of Applied Physics Society), 2001, Vol. 89, p. 5243

ゲート絶縁膜としてＨｉｇｈ−ｋ膜を用いた場合、シリコン酸化膜などのシリコン系化合物をシリコン基板とＨｉｇｈ−ｋ膜との間に設けることが多い。しかしながら、この場合、高温で加熱処理を行うと、シリコン系化合物とＨｉｇｈ−ｋ膜との界面で反応が起こり、Ｃ−Ｖ（Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ−Ｖｏｌｔａｇｅ）曲線におけるヒステリシスの増加や、移動度の低下などが見られるようになるという問題があった。   When a high-k film is used as the gate insulating film, a silicon-based compound such as a silicon oxide film is often provided between the silicon substrate and the high-k film. However, in this case, when heat treatment is performed at a high temperature, a reaction occurs at the interface between the silicon-based compound and the High-k film, and an increase in hysteresis or a decrease in mobility occurs in the CV (Capacitance-Voltage) curve. There was a problem of being able to see.

ヒステリシスが増加すると信頼性が低下するだけでなく、これに伴って閾値電圧Ｖｔｈのシフトも起こり得る。また、移動度の低下は、トランジスタ特性の低下に直結している。このため、Ｈｉｇｈ−ｋ膜を導入した意義が失われてしまうという問題があった。 As the hysteresis increases, not only the reliability decreases, but a shift in the threshold voltage Vth may occur accordingly. In addition, the decrease in mobility is directly connected to the decrease in transistor characteristics. For this reason, there is a problem that the significance of introducing the High-k film is lost.

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものである。即ち、本発明の目的は、高速動作が可能で信頼性に優れた半導体装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems. That is, an object of the present invention is to provide a semiconductor device that can operate at high speed and has excellent reliability.

また、本発明の目的は、Ｈｉｇｈ−ｋ膜を用いてヒステリシスの増加を抑制するとともに、移動度の高い半導体装置の製造方法を提供することにある。   It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor device with high mobility while suppressing an increase in hysteresis using a high-k film.

本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。   Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description.

本発明の半導体装置は、シリコン基板の上に形成されたシリコン酸窒化膜と、このシリコン酸窒化膜の上に形成された高誘電率絶縁膜とを有する半導体装置において、シリコン酸窒化膜中の窒素濃度が膜厚方向に分布を持ち、このシリコン酸窒化膜中の窒素濃度の平均値に対してシリコン基板との界面付近で低く、高誘電率絶縁膜との界面付近で高くなることを特徴とするものである。   The semiconductor device of the present invention is a semiconductor device having a silicon oxynitride film formed on a silicon substrate and a high dielectric constant insulating film formed on the silicon oxynitride film. The nitrogen concentration has a distribution in the film thickness direction, and it is low near the interface with the silicon substrate and higher near the interface with the high dielectric constant insulating film than the average value of the nitrogen concentration in the silicon oxynitride film. It is what.

本発明の半導体装置において、シリコン基板との界面から膜厚方向に０．２ｎｍまでの領域における窒素濃度は５ａｔｍ％以下の値であることが好ましい。また、高誘電率絶縁膜との界面から膜厚方向に０．２ｎｍまでの領域における窒素濃度は１０ａｔｍ％以上の値であることが好ましい。   In the semiconductor device of the present invention, the nitrogen concentration in the region from the interface with the silicon substrate to 0.2 nm in the film thickness direction is preferably 5 atm% or less. Further, the nitrogen concentration in the region from the interface with the high dielectric constant insulating film to 0.2 nm in the film thickness direction is preferably 10 atm% or more.

本発明の半導体装置において、シリコン酸窒化膜は１ｎｍ以下の膜厚であることが好ましい。また、高誘電率絶縁膜は、ＨｆＡｌＯｘ膜、Ａｌ２Ｏ３膜、ＺｒＯ２膜およびＨｆＯ２膜よりなる群から選ばれるいずれか１の膜とすることができる。 In the semiconductor device of the present invention, the silicon oxynitride film preferably has a thickness of 1 nm or less. The high dielectric constant insulating film can be any one film selected from the group consisting of an HfAlO x film, an Al 2 O 3 film, a ZrO 2 film, and an HfO 2 film.

本発明の第１の半導体装置の製造方法は、シリコン基板の上にシリコン酸窒化膜を形成する工程と、このシリコン酸窒化膜の上に高誘電率絶縁膜を形成する工程と、酸素を含む雰囲気中で高誘電率絶縁膜に対して熱処理を行う工程とを備えており、シリコン酸窒化膜を形成する工程が、シリコン基板の上にシリコン酸化膜を形成する工程と、このシリコン酸化膜をプラズマ窒化処理する工程とを有することを特徴とするものである。   The first method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a step of forming a silicon oxynitride film on a silicon substrate, a step of forming a high dielectric constant insulating film on the silicon oxynitride film, and oxygen. And heat-treating the high dielectric constant insulating film in an atmosphere. The step of forming the silicon oxynitride film includes the step of forming a silicon oxide film on the silicon substrate and the step of forming the silicon oxide film. And plasma nitriding treatment.

本発明の第２の半導体装置の製造方法は、シリコン基板の上にシリコン酸窒化膜を形成する工程と、このシリコン酸窒化膜の上に高誘電率絶縁膜を形成する工程と、酸素を含む雰囲気中で高誘電率絶縁膜に対して熱処理を行う工程とを備えており、シリコン酸窒化膜を形成する工程が、シリコン基板の上にシリコン窒化膜を形成する工程と、このシリコン窒化膜を酸化する工程とを有することを特徴とするものである。この場合、シリコン酸窒化膜は１ｎｍ以下の膜厚であり、シリコン窒化膜は、膜厚が０．６ｎｍ以下であって窒素濃度が４０ａｔｍ％以上であることが好ましい。   A second method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a step of forming a silicon oxynitride film on a silicon substrate, a step of forming a high dielectric constant insulating film on the silicon oxynitride film, and oxygen. And heat-treating the high dielectric constant insulating film in an atmosphere. The step of forming the silicon oxynitride film includes the step of forming a silicon nitride film on the silicon substrate, and the step of forming the silicon nitride film. And a step of oxidizing. In this case, the silicon oxynitride film has a thickness of 1 nm or less, and the silicon nitride film preferably has a thickness of 0.6 nm or less and a nitrogen concentration of 40 atm% or more.

以上説明したように、この発明の半導体装置は、シリコン酸窒化膜中の窒素濃度が膜厚方向に分布を持ち、このシリコン酸窒化膜中の窒素濃度の平均値に対して、窒素濃度がシリコン基板との界面付近で低く、高誘電率絶縁膜との界面付近で高くなる。これにより、シリコン酸窒化膜が高誘電率絶縁膜（Ｈｉｇｈ−ｋ膜）と反応するのを抑制できるとともに、移動度の低下を抑制することも可能となる。   As described above, in the semiconductor device of the present invention, the nitrogen concentration in the silicon oxynitride film has a distribution in the film thickness direction, and the nitrogen concentration is silicon relative to the average value of the nitrogen concentration in the silicon oxynitride film. It is low near the interface with the substrate and high near the interface with the high dielectric constant insulating film. Thereby, it is possible to suppress the silicon oxynitride film from reacting with the high dielectric constant insulating film (High-k film) and to suppress the decrease in mobility.

また、本発明の第１の半導体装置の製造方法によれば、シリコン酸窒化膜を形成する工程が、シリコン基板の上にシリコン酸化膜を形成する工程と、このシリコン酸化膜をプラズマ窒化処理する工程とを有するので、窒素濃度がシリコン基板との界面付近で低く、高誘電率絶縁膜との界面付近で高くなるシリコン酸窒化膜を形成することができる。したがって、シリコン酸窒化膜が高誘電率絶縁膜（Ｈｉｇｈ−ｋ膜）と反応するのを抑制できるとともに、移動度の低下を抑制することも可能となる。   According to the first method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, the step of forming the silicon oxynitride film includes the step of forming a silicon oxide film on the silicon substrate, and plasma nitriding the silicon oxide film. Therefore, it is possible to form a silicon oxynitride film whose nitrogen concentration is low near the interface with the silicon substrate and high near the interface with the high dielectric constant insulating film. Accordingly, it is possible to suppress the silicon oxynitride film from reacting with the high dielectric constant insulating film (High-k film) and to suppress the decrease in mobility.

さらに、本発明の第２の半導体装置の製造方法によれば、シリコン酸窒化膜を形成する工程が、シリコン基板の上にシリコン窒化膜を形成する工程と、このシリコン窒化膜を酸化する工程とを有するので、窒素濃度がシリコン基板との界面付近で低く、高誘電率絶縁膜との界面付近で高くなるシリコン酸窒化膜を形成することができる。したがって、シリコン酸窒化膜が高誘電率絶縁膜（Ｈｉｇｈ−ｋ膜）と反応するのを抑制できるとともに、移動度の低下を抑制することも可能となる。   Further, according to the second method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, the step of forming the silicon oxynitride film includes the steps of forming a silicon nitride film on the silicon substrate, and oxidizing the silicon nitride film. Therefore, a silicon oxynitride film having a low nitrogen concentration near the interface with the silicon substrate and a high concentration near the interface with the high dielectric constant insulating film can be formed. Accordingly, it is possible to suppress the silicon oxynitride film from reacting with the high dielectric constant insulating film (High-k film) and to suppress the decrease in mobility.

実施の形態
従来より、ゲート絶縁膜の形成後には、ＰＤＡ（Ｐｏｓｔ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）と呼ばれる高温熱処理が行われる。ＰＤＡを施すことによって、Ｈｉｇｈ−ｋ膜に含まれる欠陥や不純物の量を減少させることができる。具体的には、酸素の存在によって欠陥が埋められたり、不純物が酸素と反応してＨｉｇｈ−ｋ膜（高誘電率絶縁膜）の外に出て行ったりする。 Embodiment Conventionally, after the formation of a gate insulating film, a high-temperature heat treatment called PDA (Post Deposition Annealing) is performed. By applying PDA, the amount of defects and impurities contained in the High-k film can be reduced. Specifically, defects are filled due to the presence of oxygen, or impurities react with oxygen and go out of the High-k film (high dielectric constant insulating film).

図１は、ＰＤＡの際の酸素濃度を変えたときのシリコン酸化膜換算膜厚（または、等価酸化膜厚（ＥＯＴ，ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｏｘｉｄｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ））に対するヒステリシスの変化を示したものである。尚、図は、シリコン基板上に、下地膜としてのシリコン酸化膜、Ｈｉｇｈ−ｋ膜としてのＨｆＡｌＯｘ（ハフニウムアルミネート）膜をこの順に積層させた例である。 FIG. 1 shows a change in hysteresis with respect to a silicon oxide equivalent film thickness (or equivalent oxide thickness (EOT)) when the oxygen concentration during PDA is changed. The figure shows an example in which a silicon oxide film as a base film and an HfAlO x (hafnium aluminate) film as a high-k film are laminated in this order on a silicon substrate.

図１から分かるように、シリコン酸化膜換算膜厚が減少するとヒステリシスは増加する。これは、ヒステリシスの測定における電圧幅が一定である場合、シリコン酸化膜換算膜厚が小さいほど高い電圧が印加されることになるからである。   As can be seen from FIG. 1, the hysteresis increases as the equivalent silicon oxide film thickness decreases. This is because when the voltage width in the hysteresis measurement is constant, a higher voltage is applied as the equivalent silicon oxide film thickness is smaller.

また、図１より、酸素濃度が低いほどヒステリシスの増加量が大きいことが分かる。この理由は、次のように考えることができる。すなわち、ＰＤＡによって、Ｈｉｇｈ−ｋ膜中の欠陥や不純物を低減させるには、Ｈｉｇｈ−ｋ膜中に相当量の酸素が含まれていることを必要とする。雰囲気中の酸素濃度が低い場合には、Ｈｉｇｈ−ｋ膜中の酸素が不足した状態になるので、Ｈｉｇｈ−ｋ膜と下地膜との界面で反応（酸化還元反応）が起こる。例えば、Ｈｉｇｈ‐ｋ膜としてＨｆＯ２膜を用いた場合、ＨｆＯ２膜が下地膜から酸素を奪うことによって酸化される（下地膜は還元される。）。このように、Ｈｉｇｈ−ｋ膜が酸化されることによって、Ｈｉｇｈ−ｋ膜中に新たな欠陥が生じるために、ヒステリシスの増加が見られるようになる。そこで、雰囲気中の酸素濃度を高くすることによって、Ｈｉｇｈ−ｋ膜中、特にＨｉｇｈ−ｋ膜と下地膜との界面における酸素濃度が所定の値以上になれば、界面で反応が起こるのを抑制して、Ｈｉｇｈ−ｋ膜中に欠陥が生じるのを防ぐことができる。 Moreover, FIG. 1 shows that the amount of increase in hysteresis increases as the oxygen concentration decreases. The reason for this can be considered as follows. That is, in order to reduce defects and impurities in the high-k film by PDA, it is necessary that the high-k film contains a considerable amount of oxygen. When the oxygen concentration in the atmosphere is low, oxygen in the high-k film becomes insufficient, and a reaction (oxidation-reduction reaction) occurs at the interface between the high-k film and the base film. For example, when a HfO 2 film as a High-k film is oxidized by the HfO 2 film deprives oxygen from the base film (base film is reduced.). As described above, since the high-k film is oxidized, new defects are generated in the high-k film, and thus an increase in hysteresis is observed. Therefore, by increasing the oxygen concentration in the atmosphere, if the oxygen concentration in the high-k film, particularly at the interface between the high-k film and the base film, exceeds a predetermined value, it is possible to suppress the reaction from occurring at the interface. Thus, it is possible to prevent a defect from occurring in the high-k film.

本発明においては、ＰＤＡの際の雰囲気中の酸素濃度が０．２体積％以上であることが好ましい。但し、雰囲気中の酸素が下地膜とシリコン基板との界面に到達すると、シリコン基板が酸化されてゲート絶縁膜全体の膜厚が増大するようになる。したがって、ゲート絶縁膜の膜厚が所定値以下となるように、酸素濃度を制御することが必要となる。   In the present invention, the oxygen concentration in the atmosphere during PDA is preferably 0.2% by volume or more. However, when oxygen in the atmosphere reaches the interface between the base film and the silicon substrate, the silicon substrate is oxidized and the film thickness of the entire gate insulating film increases. Therefore, it is necessary to control the oxygen concentration so that the thickness of the gate insulating film is not more than a predetermined value.

図２は、ＰＤＡの際の酸素濃度を変えたときのシリコン酸化膜換算膜厚に対するヒステリシスの変化を示す他の例である。図の例では、シリコン基板上に、下地膜としてのシリコン酸窒化膜、Ｈｉｇｈ−ｋ膜としてのＨｆＡｌＯｘ（ハフニウムアルミネート）膜をこの順に積層させている。図２から分かるように、下地膜としてシリコン酸窒化膜を使用した場合には、シリコン酸化膜を使用した場合（図１）に比較して、全体的にヒステリシスが大きく減少する。 FIG. 2 is another example showing a change in hysteresis with respect to the equivalent thickness of the silicon oxide film when the oxygen concentration during PDA is changed. In the example shown in the figure, a silicon oxynitride film as a base film and a HfAlO x (hafnium aluminate) film as a high-k film are stacked in this order on a silicon substrate. As can be seen from FIG. 2, when the silicon oxynitride film is used as the base film, the hysteresis is greatly reduced as a whole as compared with the case where the silicon oxide film is used (FIG. 1).

図３および図４は、それぞれ図１および図２の構造において、ＨｆＡｌＯｘ膜の表面から深さ方向に元素分布を測定した一例である。尚、測定はＰＤＡ処理後に、ＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて行った。 FIGS. 3 and 4 are examples of the element distribution measured in the depth direction from the surface of the HfAlO x film in the structures of FIGS. 1 and 2, respectively. The measurement was carried out using XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) after PDA treatment.

図３では、下地膜に由来するシリコン（Ｓｉ）が、下地膜およびＨｉｇｈ−ｋ膜からなる積層膜の全体に広がっている。これは、シリコン酸化膜を下地膜として使用した場合には、シリコン酸化膜とＨｆＡｌＯｘ膜との界面で酸化還元反応が起こるために、シリコン酸化膜中のシリコンがＨｆＡｌＯｘ膜中に拡散したことによると考えられる。 In FIG. 3, silicon (Si) derived from the base film spreads over the entire laminated film including the base film and the High-k film. This is because when a silicon oxide film is used as a base film, a redox reaction occurs at the interface between the silicon oxide film and the HfAlO x film, so that silicon in the silicon oxide film diffuses into the HfAlO x film. It is thought that.

一方、図４では、シリコンは、図３の例に比較して下地膜中に局在化している。このことは、下地膜としてシリコン酸窒化膜を使用した場合には、ＨｆＡｌＯｘ膜との反応が抑制され、これによってシリコンの拡散が少なくなったことによると考えられる。 On the other hand, in FIG. 4, silicon is localized in the base film as compared with the example of FIG. This is considered to be due to the fact that when a silicon oxynitride film is used as the underlying film, the reaction with the HfAlO x film is suppressed, thereby reducing the diffusion of silicon.

したがって、図１〜図４の結果から、熱処理による下地膜とＨｆＡｌＯｘ膜との間の反応を抑制して、Ｃ−Ｖ曲線におけるヒステリシスの増加を低減するには、シリコン酸窒化膜を下地膜として使用することが有効である。しかしながら、これだけでは、移動度の低下を十分に抑制するには至らないことが判明している。 Accordingly, from the results of FIGS. 1 to 4, in order to suppress the reaction between the base film and the HfAlO x film due to the heat treatment and reduce the increase in hysteresis in the CV curve, the silicon oxynitride film is used as the base film. It is effective to use as. However, it has been found that this alone does not sufficiently suppress the decrease in mobility.

図５は、下地膜と、この上に形成する絶縁膜との組み合わせを変えたときのシリコン酸化膜換算膜厚と移動度との関係を示す図である。図では、判別しやすいように、組み合わせ毎に領域Ａ〜Ｄとしている。領域Ａは、下地膜としてのシリコン酸窒化膜の上にＨｆＡｌＯｘ膜（膜厚３ｎｍ）を形成した構造に対応する。また、領域Ｂは、シリコン酸窒化膜上にＴＥＯＳ（ｔｅｔｒａ−ｅｔｈｙｌ−ｏｒｔｈｏ−ｓｉｌｉｃａｔｅ）膜（膜厚２ｎｍ）を形成した構造に対応する。尚、領域Ｃおよび領域Ｄは比較のために示したものであり、領域Ｃは、ＩＳＳＧ（Ｉｎ Ｓｉｔｕ Ｓｔｅａｍ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）法により形成したシリコン酸化膜（膜厚２ｎｍ）のみの構造に対応し、領域Ｄは、このシリコン酸化膜（膜厚２ｎｍ）の上にＴＥＯＳ膜（膜厚２ｎｍ）を形成した構造に対応する。 FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the equivalent silicon oxide film thickness and mobility when the combination of the base film and the insulating film formed thereon is changed. In the figure, the areas A to D are set for each combination so that it can be easily discriminated. Region A corresponds to a structure in which an HfAlO x film (film thickness: 3 nm) is formed on a silicon oxynitride film as a base film. The region B corresponds to a structure in which a TEOS (tetra-ethyl-ortho-silicate) film (film thickness: 2 nm) is formed on the silicon oxynitride film. Note that the region C and the region D are shown for comparison, and the region C corresponds to the structure of only a silicon oxide film (thickness 2 nm) formed by an ISSG (In Situ Steam Generation) method. Corresponds to a structure in which a TEOS film (film thickness 2 nm) is formed on the silicon oxide film (film thickness 2 nm).

図５より、領域Ａと領域Ｂでは、移動度に大きな変化がないことが分かる。このことは、移動度を低下させる原因がシリコン酸窒化膜にあることを示している。   From FIG. 5, it can be seen that there is no significant change in mobility in region A and region B. This indicates that the cause of lowering the mobility is the silicon oxynitride film.

図６は、図５の領域Ａまたは領域Ｂの構造に対応するシリコン酸窒化膜について、ＸＰＳにより深さ方向の元素分布を測定した例である。図から分かるように、シリコン基板との界面付近で窒素濃度が高くなっており、これが移動度低下の原因になっていると考えられる。具体的には、窒素によって生じる正電荷がシリコン基板との界面に影響を及ぼすことによって移動度が低下すると予想される。あるいは、シリコン酸窒化膜とＨｆＡｌＯｘ膜（または、ＴＥＯＳ膜）との界面付近での窒素濃度が相対的に低くなることによって、これらの膜の間で酸化還元反応が起こるためとも考えられる。 FIG. 6 is an example in which the element distribution in the depth direction of the silicon oxynitride film corresponding to the structure of the region A or region B in FIG. 5 is measured by XPS. As can be seen from the figure, the nitrogen concentration is high in the vicinity of the interface with the silicon substrate, which is considered to cause the mobility to decrease. Specifically, the mobility is expected to decrease due to the positive charge generated by nitrogen affecting the interface with the silicon substrate. Alternatively, it is also considered that an oxidation-reduction reaction occurs between these films due to a relatively low nitrogen concentration in the vicinity of the interface between the silicon oxynitride film and the HfAlO x film (or TEOS film).

以上をまとめると、下地膜としてシリコン酸化膜を用いた場合には、Ｈｉｇｈ−ｋ膜との界面で酸化還元反応が起こるためにヒステリシスが増加する。一方、下地膜としてシリコン酸窒化膜を用いた場合には、Ｈｉｇｈ−ｋ膜との間で反応が起こるのを抑制することができる。しかしながら、シリコン基板との界面付近での窒素濃度が高くなるために移動度が低下する。このことは、下地膜としてシリコン窒化膜を用いた場合であっても同様である。したがって、下地膜中の窒素濃度を、Ｈｉｇｈ−ｋ膜との界面付近で高くし、シリコン基板との界面付近で低くすることによって、Ｈｉｇｈ−ｋ膜との反応および移動度の低下を同時に抑制することが可能となる。このことから、本発明は、シリコン酸窒化膜中の窒素濃度が膜厚方向に分布を持ち、このシリコン酸窒化膜中の窒素濃度の平均値に対して、窒素濃度がシリコン基板との界面付近で低く、Ｈｉｇｈ−ｋ膜との界面付近で高くなるようにすることを特徴とする。   In summary, when a silicon oxide film is used as the base film, a hysteresis increases because an oxidation-reduction reaction occurs at the interface with the high-k film. On the other hand, when a silicon oxynitride film is used as the base film, it is possible to suppress a reaction with the High-k film. However, the mobility decreases because the nitrogen concentration near the interface with the silicon substrate increases. This is the same even when a silicon nitride film is used as the base film. Therefore, the reaction with the High-k film and the decrease in mobility are simultaneously suppressed by increasing the nitrogen concentration in the base film near the interface with the High-k film and decreasing it near the interface with the silicon substrate. It becomes possible. Therefore, in the present invention, the nitrogen concentration in the silicon oxynitride film has a distribution in the film thickness direction, and the nitrogen concentration is near the interface with the silicon substrate with respect to the average value of the nitrogen concentration in the silicon oxynitride film. It is characterized in that it is low and high near the interface with the High-k film.

尚、Ｈｉｇｈ−ｋ膜としては、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）およびアルミニウム（Ａｌ）よりなる群から選ばれる少なくとも１の金属の酸化膜とすることができる。また、ハフニウム、ジルコニウム、ランタンおよびイットリウムよりなる群から選ばれる少なくとも１の金属の珪酸化膜をＨｉｇｈ−ｋ膜として用いてもよい。   The High-k film is an oxide film of at least one metal selected from the group consisting of hafnium (Hf), zirconium (Zr), lanthanum (La), yttrium (Y), and aluminum (Al). it can. Further, a silicic film of at least one metal selected from the group consisting of hafnium, zirconium, lanthanum, and yttrium may be used as the high-k film.

図７は、シリコン酸化膜をプラズマ窒化処理することによって形成したシリコン酸窒化膜について、ＸＰＳを用いて深さ方向の元素分布を測定した例である。図より、シリコン基板との界面付近での窒素濃度は非常に低くなっていることが分かる。   FIG. 7 shows an example in which the element distribution in the depth direction is measured using XPS for a silicon oxynitride film formed by plasma nitriding a silicon oxide film. From the figure, it can be seen that the nitrogen concentration in the vicinity of the interface with the silicon substrate is very low.

図８は、図７のシリコン酸窒化膜の上にＨｆＡｌＯｘ膜を堆積させてトランジスタを作製し、その移動度を測定した結果の一例である。尚、比較のために、シリコン基板との界面付近で高い窒素濃度を有する従来のシリコン酸窒化膜を使用した場合についても示している。図８より、シリコン基板との界面付近での窒素濃度を低くすることによって、移動度を向上できることが分かる。 FIG. 8 shows an example of the result of fabricating a transistor by depositing an HfAlO x film on the silicon oxynitride film of FIG. 7 and measuring its mobility. For comparison, the case of using a conventional silicon oxynitride film having a high nitrogen concentration near the interface with the silicon substrate is also shown. It can be seen from FIG. 8 that the mobility can be improved by reducing the nitrogen concentration in the vicinity of the interface with the silicon substrate.

図９は、シリコン酸窒化膜について、ＸＰＳを用いて深さ方向の元素分布を測定した他の例である。図では、アンモニア（ＮＨ３）ガスを用いたシリコン基板の窒化により形成したシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）を、酸化性ガス雰囲気中で熱処理することによってシリコン酸窒化膜としている。図９の例では、窒素は、シリコン基板との界面付近で少なくなるものの、図７と比較するとシリコン酸窒化膜中に略均一に分布している。 FIG. 9 shows another example of the element distribution in the depth direction measured using XPS for the silicon oxynitride film. In the figure, a silicon nitride film (SiN film) formed by nitriding a silicon substrate using ammonia (NH 3 ) gas is heat-treated in an oxidizing gas atmosphere to form a silicon oxynitride film. In the example of FIG. 9, although nitrogen decreases near the interface with the silicon substrate, it is distributed substantially uniformly in the silicon oxynitride film as compared with FIG.

図１０は、図９のシリコン酸窒化膜の上にＨｆＡｌＯｘ膜を堆積させてトランジスタを作製し、その移動度を測定した結果の一例である。尚、比較のために、シリコン基板との界面付近で高い窒素濃度を有する従来のシリコン酸窒化膜を使用した場合についても示している。図１０では、図８よりもさらに移動度が向上している。 FIG. 10 shows an example of the result of fabricating a transistor by depositing an HfAlO x film on the silicon oxynitride film of FIG. 9 and measuring its mobility. For comparison, the case of using a conventional silicon oxynitride film having a high nitrogen concentration near the interface with the silicon substrate is also shown. In FIG. 10, the mobility is further improved as compared with FIG.

また、図８および図１０から明白であるように、本発明によるシリコン酸窒化膜では、シリコン酸化膜換算膜厚の大きい従来のシリコン酸窒化膜と比較しても移動度が向上している。このことは、移動度の向上が、単に下地膜の膜厚に起因するものではないことを示している。   Further, as apparent from FIGS. 8 and 10, the silicon oxynitride film according to the present invention has improved mobility as compared with the conventional silicon oxynitride film having a large equivalent silicon oxide film thickness. This indicates that the improvement in mobility is not simply caused by the film thickness of the base film.

このように、シリコン酸窒化膜とシリコン基板との界面付近での窒素濃度を低くすることによって、シリコン酸窒化膜中の他の部分での窒素濃度がどのような分布をとっても移動度を向上させることが可能になる。この場合、シリコン酸窒化膜中において、シリコン酸窒化膜とシリコン基板との界面付近（より詳細には、界面から膜厚方向に０．２ｎｍ程度までの領域）での窒素濃度が５ａｔｍ％以下であることが好ましい。   Thus, by reducing the nitrogen concentration in the vicinity of the interface between the silicon oxynitride film and the silicon substrate, the mobility is improved regardless of the distribution of the nitrogen concentration in other parts of the silicon oxynitride film. It becomes possible. In this case, in the silicon oxynitride film, the nitrogen concentration in the vicinity of the interface between the silicon oxynitride film and the silicon substrate (more specifically, the region from the interface to about 0.2 nm in the film thickness direction) is 5 atm% or less. Preferably there is.

一方、シリコン酸窒化膜とＨｉｇｈ−ｋ膜との界面付近での窒素濃度を高くすることによって、これらの膜の間で酸化還元反応が起こるのを抑制することが可能になる。この場合、シリコン酸窒化膜中において、シリコン酸窒化膜とＨｉｇｈ−ｋ膜との界面付近（より詳細には、界面から膜厚方向に０．２ｎｍ程度までの領域）での窒素濃度が１０ａｔｍ％以上であることが好ましい。   On the other hand, by increasing the nitrogen concentration in the vicinity of the interface between the silicon oxynitride film and the High-k film, it is possible to suppress the occurrence of a redox reaction between these films. In this case, in the silicon oxynitride film, the nitrogen concentration in the vicinity of the interface between the silicon oxynitride film and the High-k film (more specifically, the region from the interface to about 0.2 nm in the film thickness direction) is 10 atm%. The above is preferable.

また、上述したように、素子の高速動作を実現するには、ゲート容量を増やして駆動電流を増加させることが必要になる。しかしながら、ゲート容量を増やすためにゲート絶縁膜の薄膜化を進めると、キャパシタのリーク電流が増加するようになる。そこで、比誘電率の大きいＨｉｇｈ−ｋ膜を用いることによって、物理的膜厚を厚くしてリーク電流の増加を抑制している。一方、下地膜としてシリコン酸窒化膜を用いた場合、この膜厚が大きくなるとゲート絶縁膜の薄膜化に逆行することになる。したがって、シリコン酸窒化膜の膜厚はできるだけ薄い方が好ましい。具体的には、シリコン酸窒化膜の膜厚を１ｎｍ以下とすることが好ましい。ここで、アンモニアガスを用いて形成したシリコン窒化膜を酸化することによってシリコン酸窒化膜を形成する場合には、シリコン窒化膜を０．６ｎｍ以下、好ましくは０．４ｎｍ程度の膜厚で形成する。また、この場合、シリコン窒化中の窒素濃度は４０ａｔｍ％以上であるようにする。   Further, as described above, in order to realize high-speed operation of the element, it is necessary to increase the gate capacitance and increase the drive current. However, if the gate insulating film is made thinner in order to increase the gate capacitance, the leakage current of the capacitor will increase. Therefore, by using a high-k film having a large relative dielectric constant, the physical film thickness is increased to suppress an increase in leakage current. On the other hand, when a silicon oxynitride film is used as the base film, when this film thickness increases, the gate insulating film is made thinner. Therefore, the silicon oxynitride film is preferably as thin as possible. Specifically, the thickness of the silicon oxynitride film is preferably 1 nm or less. Here, in the case where the silicon oxynitride film is formed by oxidizing the silicon nitride film formed using ammonia gas, the silicon nitride film is formed with a film thickness of 0.6 nm or less, preferably about 0.4 nm. . In this case, the nitrogen concentration in the silicon nitridation is set to 40 atm% or more.

以下、本発明による半導体装置の製造方法を図１１〜図１８を用いて説明する。尚、これらの図において、同じ符号を付した部分は同じものであることを示している。   A semiconductor device manufacturing method according to the present invention will be described below with reference to FIGS. In these drawings, the same reference numerals indicate the same parts.

まず、図１１に示すように、シリコン基板１の所定領域にシリコン酸化膜を埋め込み、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）構造の素子分離領域２を形成する。尚、シリコン基板１に代えて、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）基板またはガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板などの他の半導体基板を用いてもよい。また、ＳＴＩ構造に代えて、ＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ）構造などを適用してもよい。   First, as shown in FIG. 11, a silicon oxide film is embedded in a predetermined region of the silicon substrate 1 to form an element isolation region 2 having an STI (Shallow Trench Isolation) structure. In place of the silicon substrate 1, another semiconductor substrate such as a silicon germanium (SiGe) substrate or a gallium arsenide (GaAs) substrate may be used. Further, a LOCOS (Local Oxidation of Silicon) structure or the like may be applied instead of the STI structure.

次に、シリコン基板１に不純物を注入した後、熱拡散を行うことによってＮ型またはＰ型の拡散層４を形成する。次いで、フッ酸と水を１：１００の割合で混合した希フッ酸（Ｄｉｌｕｔｅｄ Ｈｙｄｒｏｆｌｕｏｒｉｃ Ａｃｉｄ，ＤＨＦ）水溶液を用いて自然酸化膜３を除去する。これにより、活性領域のシリコン基板１の表面が露出する（図１２）。   Next, after implanting impurities into the silicon substrate 1, thermal diffusion is performed to form an N-type or P-type diffusion layer 4. Next, the natural oxide film 3 is removed using a dilute hydrofluoric acid (DHF) aqueous solution in which hydrofluoric acid and water are mixed at a ratio of 1: 100. As a result, the surface of the silicon substrate 1 in the active region is exposed (FIG. 12).

次に、シリコン基板１の上に、下地膜となるシリコン酸窒化膜５を形成する（図１３）。   Next, a silicon oxynitride film 5 serving as a base film is formed on the silicon substrate 1 (FIG. 13).

例えば、アンモニアガス雰囲気中にシリコン基板１を置き、６００℃程度の温度で熱処理を行うことによってシリコン窒化膜（図示せず）を形成する。次に、水素（Ｈ２）、二酸化窒素（ＮＯ２）および窒素（Ｎ２）の混合ガスを用い、８５０℃程度の温度でシリコン窒化膜を酸化する。これにより、シリコン基板上に、膜厚１．０ｎｍ程度のシリコン酸窒化膜５を形成することができる。 For example, the silicon substrate 1 is placed in an ammonia gas atmosphere, and a heat treatment is performed at a temperature of about 600 ° C. to form a silicon nitride film (not shown). Next, the silicon nitride film is oxidized at a temperature of about 850 ° C. using a mixed gas of hydrogen (H 2 ), nitrogen dioxide (NO 2 ), and nitrogen (N 2 ). Thereby, the silicon oxynitride film 5 having a thickness of about 1.0 nm can be formed on the silicon substrate.

尚、本発明におけるシリコン酸窒化膜５の形成方法は、窒素濃度が膜厚方向に分布を持ち、膜中の窒素濃度の平均値に対してシリコン基板１との界面付近で低く、（後工程で形成する）Ｈｉｇｈ−ｋ膜６との界面付近で高くなるように形成できるものであればよく、上記方法には限定されない。例えば、アンモニアガスに代えて一酸化窒素（ＮＯ）ガスを用いてシリコン窒化膜を形成してもよく、酸素ガスを用いてシリコン窒化膜を酸化してもよい。特に、一酸化窒素ガスを用いた酸化によれば、シリコン基板との界面付近での窒素濃度が低くて、膜全体での窒素濃度が大きいシリコン酸窒化膜を形成することができる。また、膜厚１ｎｍ程度のシリコン酸化膜を形成した後、プラズマ窒化プロセスによってシリコン酸窒化膜を形成してもよい。   In the method of forming the silicon oxynitride film 5 according to the present invention, the nitrogen concentration has a distribution in the film thickness direction, and is low in the vicinity of the interface with the silicon substrate 1 with respect to the average value of the nitrogen concentration in the film. Any method can be used as long as it can be formed in the vicinity of the interface with the high-k film 6 and is not limited to the above method. For example, a silicon nitride film may be formed using nitrogen monoxide (NO) gas instead of ammonia gas, or the silicon nitride film may be oxidized using oxygen gas. In particular, according to oxidation using nitrogen monoxide gas, a silicon oxynitride film having a low nitrogen concentration near the interface with the silicon substrate and a high nitrogen concentration in the entire film can be formed. Alternatively, a silicon oxynitride film may be formed by a plasma nitriding process after a silicon oxide film having a thickness of about 1 nm is formed.

シリコン酸窒化膜５を形成した後は、この上にＨｉｇｈ−ｋ膜６を形成する（図１４）。Ｈｉｇｈ−ｋ膜６としては、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）およびアルミニウム（Ａｌ）よりなる群から選ばれる少なくとも１の金属の酸化膜とすることができる。例えば、ＨｆＡｌＯｘ膜、Ａｌ２Ｏ３膜、ＺｒＯ２膜またはＨｆＯ２膜などを形成することができる。また、ハフニウム、ジルコニウム、ランタンおよびイットリウムよりなる群から選ばれる少なくとも１の金属の珪酸化膜をＨｉｇｈ−ｋ膜６として用いてもよい。 After the silicon oxynitride film 5 is formed, a high-k film 6 is formed thereon (FIG. 14). The high-k film 6 can be an oxide film of at least one metal selected from the group consisting of hafnium (Hf), zirconium (Zr), lanthanum (La), yttrium (Y), and aluminum (Al). . For example, an HfAlO x film, an Al 2 O 3 film, a ZrO 2 film, an HfO 2 film, or the like can be formed. Further, a high-k film 6 may be a siliceous film of at least one metal selected from the group consisting of hafnium, zirconium, lanthanum and yttrium.

Ｈｉｇｈ−ｋ膜６は、例えば、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，以下、ＣＶＤという。）法またはＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などによって形成することができる。   The High-k film 6 can be formed, for example, by an ALD (Atomic Layer Deposition) method, a CVD (Chemical Vapor Deposition) (hereinafter referred to as CVD) method, a PVD (Physical Vapor Deposition) method, or the like.

次に、所定量の酸素濃度を有する雰囲気中でＰＤＡ処理を行う（図１５）。例えば、０．２体積％の酸素を含む窒素雰囲気中において、１，０００℃程度の温度で熱処理を行うことができる。   Next, PDA treatment is performed in an atmosphere having a predetermined amount of oxygen concentration (FIG. 15). For example, the heat treatment can be performed at a temperature of about 1,000 ° C. in a nitrogen atmosphere containing 0.2% by volume of oxygen.

ＰＤＡ処理を終えた後は、Ｈｉｇｈ−ｋ膜６の上に、ゲート電極材料としてのポリシリコン膜７を形成する（図１６）。ポリシリコン膜７の膜厚は、例えば１５０ｎｍ程度とすることができる。尚、ポリシリコン膜７に代えてアモルファスシリコン膜を成膜してもよい。また、（ポリまたはアモルファス）シリコン膜に代えて、シリコンゲルマニウム膜などを用いてもよい。   After the PDA process, a polysilicon film 7 as a gate electrode material is formed on the high-k film 6 (FIG. 16). The thickness of the polysilicon film 7 can be about 150 nm, for example. In place of the polysilicon film 7, an amorphous silicon film may be formed. Further, a silicon germanium film or the like may be used instead of the (poly or amorphous) silicon film.

次いで、ポリシリコン膜７中にＮ型またはＰ型の不純物を注入した後、リソグラフィ法およびＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法を用いて、ポリシリコン膜７、Ｈｉｇｈ−ｋ膜６およびシリコン酸窒化膜５を順次加工する。これにより、図１７に示すように、ゲート電極８およびゲート絶縁膜９が形成される。図１７では、パターニングされたＨｉｇｈ−ｋ膜６とシリコン酸窒化膜５とでゲート絶縁膜９が構成される。   Next, after implanting an N-type or P-type impurity into the polysilicon film 7, the polysilicon film 7, the High-k film 6, and the silicon oxynitride film 5 are used by lithography and RIE (Reactive Ion Etching). Are processed sequentially. Thereby, as shown in FIG. 17, the gate electrode 8 and the gate insulating film 9 are formed. In FIG. 17, the patterned high-k film 6 and the silicon oxynitride film 5 constitute a gate insulating film 9.

次に、ゲート電極８をマスクとしてシリコン基板１に不純物を注入し、Ｐ型またはＮ型のエクステンション領域１０を形成する。その後、ゲート電極８の側壁部にサイドウォール１１を形成する。そして、サイドウォール１１の形成されたゲート電極８をマスクとしてシリコン基板１に不純物を注入した後、熱処理による活性化を行い、Ｐ型またはＮ型のソース・ドレイン領域１２を形成する。さらに、層間絶縁膜１３を設けることによって、図１８に示す構造が得られる。   Next, an impurity is implanted into the silicon substrate 1 using the gate electrode 8 as a mask to form a P-type or N-type extension region 10. Thereafter, sidewalls 11 are formed on the side walls of the gate electrode 8. Then, after implanting impurities into the silicon substrate 1 using the gate electrode 8 with the sidewalls 11 formed as a mask, activation by heat treatment is performed to form P-type or N-type source / drain regions 12. Furthermore, the structure shown in FIG. 18 is obtained by providing the interlayer insulating film 13.

以上述べたように、本発明によれば、シリコン基板との界面付近における窒素濃度が低く、Ｈｉｇｈ−ｋ膜との界面付近における窒素濃度が高いシリコン酸窒化膜を用いることによって、熱処理によるヒステリシスの増加および移動度の低下を抑制することが可能となる。したがって、高速動作が可能で信頼性に優れた半導体装置を製造することができる。   As described above, according to the present invention, by using a silicon oxynitride film having a low nitrogen concentration in the vicinity of the interface with the silicon substrate and a high nitrogen concentration in the vicinity of the interface with the high-k film, hysteresis due to heat treatment can be reduced. It is possible to suppress an increase and a decrease in mobility. Therefore, a semiconductor device that can operate at high speed and has excellent reliability can be manufactured.

尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

酸素濃度を変えてＰＤＡを行ったときのシリコン酸化膜換算膜厚に対するヒステリシスの変化を示した例である。It is an example showing a change in hysteresis with respect to a silicon oxide equivalent film thickness when PDA is performed while changing the oxygen concentration. 酸素濃度を変えてＰＤＡを行ったときのシリコン酸化膜換算膜厚に対するヒステリシスの変化を示す他の例である。It is another example which shows the change of the hysteresis with respect to a silicon oxide film equivalent film thickness when PDA is performed while changing the oxygen concentration. 図１の構造において、ＨｆＡｌＯｘ膜の表面から深さ方向に元素分布を測定した一例である。In the structure of FIG. 1, the element distribution is measured in the depth direction from the surface of the HfAlO x film. 図２の構造において、ＨｆＡｌＯｘ膜の表面から深さ方向に元素分布を測定した一例である。In the structure of FIG. 2, the element distribution is measured in the depth direction from the surface of the HfAlO x film. 下地膜と、この上に形成する絶縁膜との組み合わせを変えたときのシリコン酸化膜換算膜厚と移動度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a silicon oxide film equivalent film thickness and mobility when changing the combination of a base film and the insulating film formed on this. シリコン酸窒化膜について深さ方向の元素分布を測定した例である。This is an example in which the element distribution in the depth direction of the silicon oxynitride film was measured. シリコン酸化膜をプラズマ窒化処理することによって形成したシリコン酸窒化膜について、深さ方向の元素分布を測定した例である。This is an example in which the element distribution in the depth direction is measured for a silicon oxynitride film formed by plasma nitriding a silicon oxide film. 図７のシリコン酸窒化膜の上にＨｆＡｌＯｘ膜を形成したときの移動度の一例である。8 is an example of mobility when an HfAlO x film is formed on the silicon oxynitride film of FIG. 7. シリコン酸窒化膜について深さ方向の元素分布を測定した例である。This is an example in which the element distribution in the depth direction of the silicon oxynitride film was measured. 図９のシリコン酸窒化膜の上にＨｆＡｌＯｘ膜を形成したときの移動度の一例である。10 is an example of mobility when an HfAlO x film is formed on the silicon oxynitride film of FIG. 9. 本実施の形態における半導体装置の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device in this Embodiment. 本実施の形態における半導体装置の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device in this Embodiment. 本実施の形態における半導体装置の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device in this Embodiment. 本実施の形態における半導体装置の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device in this Embodiment. 本実施の形態における半導体装置の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device in this Embodiment. 本実施の形態における半導体装置の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device in this Embodiment. 本実施の形態における半導体装置の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device in this Embodiment. 本実施の形態における半導体装置の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device in this Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

１ シリコン基板
２ 素子分離領域
３ 自然酸化膜
４ 拡散層
５ シリコン酸窒化膜
６ Ｈｉｇｈ−ｋ膜
７ ポリシリコン膜
８ ゲート電極
９ ゲート絶縁膜
１０ エクステンション領域
１１ サイドウォール
１２ ソース・ドレイン領域
１３ 層間絶縁膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon substrate 2 Element isolation region 3 Natural oxide film 4 Diffusion layer 5 Silicon oxynitride film 6 High-k film 7 Polysilicon film 8 Gate electrode 9 Gate insulating film 10 Extension region 11 Side wall 12 Source / drain region 13 Interlayer insulating film

Claims (7)

シリコン基板の上に形成されたシリコン酸窒化膜と、
前記シリコン酸窒化膜の上に形成された高誘電率絶縁膜とを有する半導体装置において、
前記シリコン酸窒化膜中の窒素濃度が膜厚方向に分布を持ち、該シリコン酸窒化膜中の窒素濃度の平均値に対して前記シリコン基板との界面付近で低く、前記高誘電率絶縁膜との界面付近で高くなることを特徴とする半導体装置。 A silicon oxynitride film formed on a silicon substrate;
In a semiconductor device having a high dielectric constant insulating film formed on the silicon oxynitride film,
The nitrogen concentration in the silicon oxynitride film has a distribution in the film thickness direction, and is lower near the interface with the silicon substrate than the average value of the nitrogen concentration in the silicon oxynitride film, and the high dielectric constant insulating film A semiconductor device characterized by becoming higher in the vicinity of the interface. 前記シリコン基板との界面から膜厚方向に０．２ｎｍまでの領域における前記窒素濃度が５ａｔｍ％以下の値である請求項１に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the nitrogen concentration in a region from the interface with the silicon substrate to 0.2 nm in the film thickness direction is a value of 5 atm% or less. 前記高誘電率絶縁膜との界面から膜厚方向に０．２ｎｍまでの領域における前記窒素濃度が１０ａｔｍ％以上の値である請求項１または２に記載の半導体装置。   3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the nitrogen concentration in a region from the interface with the high dielectric constant insulating film to 0.2 nm in the film thickness direction is a value of 10 atm% or more. 前記シリコン酸窒化膜は１ｎｍ以下の膜厚である請求項１〜３に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the silicon oxynitride film has a thickness of 1 nm or less. シリコン基板の上にシリコン酸窒化膜を形成する工程と、
前記シリコン酸窒化膜の上に高誘電率絶縁膜を形成する工程と、
酸素を含む雰囲気中で前記高誘電率絶縁膜に対して熱処理を行う工程とを備える半導体装置の製造方法であって、
前記シリコン酸窒化膜を形成する工程は、前記シリコン基板の上にシリコン酸化膜を形成する工程と、
前記シリコン酸化膜をプラズマ窒化処理する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a silicon oxynitride film on the silicon substrate;
Forming a high dielectric constant insulating film on the silicon oxynitride film;
A method of manufacturing a semiconductor device comprising a step of performing a heat treatment on the high dielectric constant insulating film in an atmosphere containing oxygen,
Forming the silicon oxynitride film includes forming a silicon oxide film on the silicon substrate;
And a method of plasma nitriding the silicon oxide film. シリコン基板の上にシリコン酸窒化膜を形成する工程と、
前記シリコン酸窒化膜の上に高誘電率絶縁膜を形成する工程と、
酸素を含む雰囲気中で前記高誘電率絶縁膜に対して熱処理を行う工程とを備える半導体装置の製造方法であって、
前記シリコン酸窒化膜を形成する工程は、前記シリコン基板の上にシリコン窒化膜を形成する工程と、
前記シリコン窒化膜を酸化する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a silicon oxynitride film on the silicon substrate;
Forming a high dielectric constant insulating film on the silicon oxynitride film;
A method of manufacturing a semiconductor device comprising a step of performing a heat treatment on the high dielectric constant insulating film in an atmosphere containing oxygen,
Forming the silicon oxynitride film includes forming a silicon nitride film on the silicon substrate;
And a step of oxidizing the silicon nitride film. 前記シリコン酸窒化膜は１ｎｍ以下の膜厚であり、
前記シリコン窒化膜は、膜厚が０．６ｎｍ以下であって窒素濃度が４０ａｔｍ％以上である請求項６に記載の半導体装置の製造方法。 The silicon oxynitride film has a thickness of 1 nm or less,
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein the silicon nitride film has a thickness of 0.6 nm or less and a nitrogen concentration of 40 atm% or more.
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